串联桥式高压变频器的原理与设计方法

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关键词:摘要:本文介绍了高压变频器的原理以及串联桥式高压变频调速系统的设计。1设备描述l  开关柜构成:开关柜为可选件。可以不采用开关柜,高压输入和输出线通过变压器柜中的接线端子进行连接。如果采用开关柜时,也可选择手动旁路或自动旁路方式,相应地,开关柜的构成也不相同。手动旁路方式的开关柜主要由高压真空接触器、隔离刀闸、 电压互感器等构成,它的主要作用是在高压...
  • 关键词:
  • 摘要:本文介绍了高压变频器的原理以及串联桥式高压变频调速系统的设计。

1设备描述

开关柜构成:

开关柜为可选件。可以不采用开关柜,高压输入和输出线通过变压器柜中的接线端子进行连接 。如果采用开关柜时,也可选择手动旁路或自动旁路方式 ,相应地,开关柜的构成也不相同。

手动旁路方式的开关柜主要由高压真空接触器、隔离刀闸、 电压互器等构成,它的主要作用是在高压变频器检修时 ,为高压从电网直接提供高压电源,不影响用户的使用。在使用时可进行变频运行和工频运行的切换 。电压互感器可对输入的高电压进行检测,判断输入 、输出电压的质量和是否出现故障 ,为进行高性能的控制提供依据。

 4  手动方式的开关柜

 

自动方式时的开关柜主要包括真空接触器等设备,可以不需要人工操作,通过控制柜的可编程序控制器()自动进行控制 ,并在系统出现故障时,把变频器输出到电机的三相输出自动切除并切换到电网直接供电,不会导致系统停机。

 5 自动方式的开关柜

变压器柜构成:

变压器柜内主要为高压隔离移相变压器 。6 kV高压变频调速系统为例 ,当采用1700V级的IGBT时 ,功率柜中每相由6个功率单元组成。这些单元皆由隔离移相变压器二次侧供电,且二次侧依次相差一个相位差,可实现多重化串联整流。在移相变压器的一次侧中 ,各折算的二次侧电流叠加后,其电流波形非常逼近正弦波,因此对电网的谐波干扰非常小 ,完全满足国际、国内包括IEEE.519-1992GB/T14549-93在内各种标准的要求 。同时,也改善了系统的功率因数。

变压器柜中同时包括温度监测控制器的测温点(其温控器安装在控制柜内),它实时循环监测各相绕组的温度 ,当温度高于预定设置值时,会启动变压器柜下部的6个冷却风扇。同时,变压器温度监测控制器会及时在变压器故障时 ,把信息立即反馈给控制柜,保证了变压器的可靠运行 。

功率柜构成:

功率柜是变频器功率主电路核心的部分,它由多个完全相同的功率单元组成 ,各功率单元的输出电压串联叠加后组成输出到电机的三相电压 。功率单元中的主功率器件为IGBT ,所采用的IGBT耐压为1700V级的IGBT。

以6kV的高压变频器调速系统为例,当采用1700V的IGBT时,每相中包含5个或6个功率单元 ,而每个功率单元的输出电压为交流693V,则相电压为6×693,即3464V ,相应的,其线电压为6kV。

若所设计的装置为10kV变频调速系统,采用的器件也是1700V级的IGBT ,则每相中包含8个或9个功率单元 。

通过采用了具有自主知识产权的优化PWM(脉冲宽度调制)控制技术,使得输出到电机的电压波形非常接近正弦波,谐波含量小 ,dv/dt小,无须额外增加滤波器,可以直接输出到普通异步电动机 ,且对变频器到电机的电缆长度没有要求。

功率单元和控制柜之间通过高速可靠的光纤进行通信 ,可有效避免电磁干扰,提高系统的可靠性。

控制柜构成:

控制柜是整个高压变频调速系统的核心,它根据用户在本地或远程的操作和设置 ,并采集系统中电压、电流模拟量,及各开关量,进行逻辑处理和计算后 ,决定并控制各功率单元的动作,进一步驱动电机,满足输出要求 。

控制柜中包括不间断电源UPS 、断路器、可编程逻辑控制器PLC、DSP 控制板 、IO板、光纤板、液晶操作及控制按钮 、开关等。其中 ,所有的计算在 DSP 控制板中进行。控制核心为专业设计的双DSP(数字信号处理器),并辅之以FPGA(现场可编程门阵列)和CPLD(复杂可编程逻辑器件),它们的采用不但可进行高速运算 ,实现复杂的控制功能,而且还大大简化了控制电路的设计,提高了控制系统的可靠性 。

2.3结构和材质

高压变频器串联H桥高压变频调速系统组成部分包括变压器柜、功率柜、控制柜及开关柜(可选) ,如图1所示。

1  FRHV串联H桥高压变频调速系统典型组成部分

    1中主要示意系统的组成部分 ,具体到各系列产品的实际安装方式,可能有所区别。尤其是针对800kW以下的系列产品,采用了优化设计方案 ,不但保证了整个系统的可靠性,而且更加紧凑,降低了对用户的安装空间的要求 。(功率柜的数量随装置的具体的容量而不同)

2是串联H桥式高压变频调速系统功率电路原理图 ,以输出6kV,每相56个单元为例。(而对于10kV,每相89个单元)。图中6 kV电网电压直接给移相变压器供电 ,移相变压器二次侧有1518个独立的三相低压绕组 。每一个三相低压绕组给一个低压单相变频器(称为H桥,或功率单元)供电,其电路图如图3所示 。在图2给出的例子中 ,输出到电机的三相中,每一相由5个功率单元串联,三相共15个功率单元 ,即可输出三相对称 ,电压 、频率都可调的变压 、变频电源。最高输出电压为6 kV,频率50Hz,可直接驱动6 kV的三相异步电动机。如果需要输出10kV电压,可增加每一相功率单元的串联个数或者增加每个H桥单元的输出电压 。

2  串联H桥高压变频调速系统功率电路(5/相)原理图

3  H桥单个功率单元内部电路原理图

为了保证系统的可靠性和使用寿命 ,主要元器件均采用国际知名厂家产品,主要元器件清单见表1。

  

1:主要元器件清单

序号

名称

品牌

1

IGBT

日本富士

2

整流管

德国西门康或日本三社

3

电解电容

德国优派克

4

驱动片

日本三菱公司

5

风机

德国

6

吸收电容

美国CDE

7

输出电流传感器

德国莱姆

8

光纤及接口

美国安捷伦

9

光耦

日本东芝

10

移相变压器

北京新华都

变频器安装

变频器采用底部进出线方式,从正面看 ,高压进线孔位于变压器柜后部居中的位置,高压出线及二次进出线电缆孔位于单元柜后部居左的位置。变频器应安装在电缆沟上,见下图 。

变频器安装在10#槽钢焊接的底座上 ,通过点焊方式将其固定在安装槽钢上,槽钢需可靠接地,接地电阻不得大于。

变频器在正面操作 ,二次接线室在正面。为了保证操作、维护的方便性和通风散热效果,变频器正面距墙距离不小于1.5,背面和顶部距墙距离不小于1 。

室内冷却方式:若采用空调制冷 ,则空调容量不小于平均负载功率×1.6%为空调的匹数;若采用排风方式 ,则每个风机排风量不小于1m3/s。


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